Сигналы и системы: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Свёртка и линейные стационарные системы

Дискретная свёртка
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Непрерывная свёртка
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Длина и сумма
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Начало, конец и площадь
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Ступенька на входе системы e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Система первого порядка
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Рекурсия первого порядка
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Синусоида на входе системы h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Амплитуды ряда Фурье
меандр ±A: 4A/(kπ), нечётные k; треугольная волна ±A: 8A/(π²k²), нечётные k; последовательность импульсов: A·D и (2A/(kπ))|sin kπD|

Метод

  1. Нарисуйте оба сигнала и отметьте, где каждый из них отличен от нуля.
  2. Отразите h и сдвигайте её: для каждого момента выхода найдите диапазон, где оба сигнала перекрываются.
  3. Перемножайте и складывайте (дискретный случай) или перемножайте и интегрируйте (непрерывный случай) только на этом перекрытии.
  4. Проверьте результат: выход начинается в сумме моментов начала, заканчивается в сумме моментов окончания, а его площадь или сумма равна произведению площадей или сумм входов.

2Тренировочные задачи

1.Свёртка и линейные стационарные системыСредняя
x(t)t25h(t)t35

Сигнал x(t) отличен от нуля только между t = 2 s и t = 5 s, а h(t) — только между t = 3 s и t = 5 s. Найдите длительность D сигнала y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 2 … 5 sh: 3 … 5 s
D = s
2.Свёртка и линейные стационарные системыСложная
u[n]4+y[n]0,9·z⁻¹+

Система подчиняется уравнению y[n] = 0,9·y[n − 1] + 4·x[n] и начинает с состояния покоя. На входе единичная ступенька x[n] = u[n]. Найдите y[2].

y[n] = 0,9y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−2−4−6−8−10−12−1424

Найдите f(t) для F(s) = (3s + 37)/(s² + 8s + 32) выделением полного квадрата и вычислите f(0,25).

F(s) = (3s + 37)/(s² + 8s + 32)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Преобразования ЛапласаСложная
ReIm−5−10−15−20

Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 7y′ + 6y = u′ + 18u, где u(t) — вход, y(t) — выход. Найдите её передаточную функцию G(s) = Y(s)/U(s) (при нулевых начальных условиях) и вычислите импульсную характеристику g(t) при t = 1,5 s. Найдите g(1,5).

y″ + 7y′ + 6y = u′ + 18ut = 1,5 s
g(1.5) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)3tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 228/(s² + 5s + 76) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 228/(s² + 5s + 76)
tp = s
6.Переходная характеристикаСложная
t (s)y(t)15 %

Переходная характеристика системы второго порядка без нулей должна иметь перерегулирование 5 %. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

%OS = 5 %
ζ =
7.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 47 kΩC = 100 nFvout​

Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 47 kΩ, C = 100 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 17 Hz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.

R = 47 kΩC = 100 nFf = 17 Hz
|H| = dB
8.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 40/(s(s + 8)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 40/(s(s + 8))
PM = °

3Растворы

1.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: D = 5 s

Непрерывная свёртка: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Отразите h, сдвиньте в положение t и проинтегрируйте произведение перекрывающихся частей. Для причинных сигналов интеграл берётся от 0 до t. Полезные факты: площадь y равна площади x, умноженной на площадь h; если x длится от t₁ до t₂, а h — от t₃ до t₄, то y длится от t₁ + t₃ до t₂ + t₄. Для h(t) = e−atu(t) и ступеньки высотой A получаем y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Начало и конец

tstart = 2 + 3 = 5 s
tend = 5 + 5 = 10 s

Ответ

D = 5 s

Ответ

D = 5 s
2.Свёртка и линейные стационарные системы

Ответ: y[2] = 10,84

Импульсная характеристика и ряд Фурье: импульсная характеристика h(t) полностью описывает линейную стационарную систему: для y′ + a·y = b·x она равна h(t) = b·e−atu(t), а для y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] — h[n] = b·aⁿu[n]. Синусоида cos ωt проходит с коэффициентом передачи |H(jω)| и фазой ∠H(jω), где H — преобразование Фурье функции h. Периодический сигнал — это сумма гармоник на частотах k/T: меандр с амплитудой ±A содержит только нечётные гармоники с амплитудами 4A/(kπ), треугольная волна с пиком A — 8A/(π²k²), а последовательность импульсов высотой A и коэффициентом заполнения D имеет среднее значение A·D и гармоники (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Итерации

y[0] = 4
y[1] = 7,6
y[2] = 10,84

Результат

y[2] = 4·(1 − (0,9)3)/(1 − 0,9) = 10,84

Ответ

y[2] = 10,84
3.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.25) = 2,531

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Выделение полного квадрата

s² + 8s + 32 = (s + 4)² + 16 = (s + 4)² + 4²

Подбор числителя

F(s) = 3·(s + 4)/((s + 4)² + 4²) + (25/4)·4/((s + 4)² + 4²)

Обратное преобразование

f(t) = e−4t·(3·cos 4t + 6,25·sin 4t)
f(0,25) = e−4·0,25·(3·cos(4·0,25) + 6,25·sin(4·0,25)) = 2,531

Ответ

f(0,25) = 2,531
4.Преобразования Лапласа

Ответ: g(1.5) = 0,7583

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Передаточная функция

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 18)/(s² + 7s + 6)

Простые дроби

s² + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
A = 3,4, B = −2,4

Импульсная характеристика

g(t) = 3,4·e−t − 2,4·e−6t
g(1,5) = 0,7583

Ответ

g(1,5) = 0,7583
5.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,3762 s

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Сравните со стандартной формой

Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 76 → ωₙ = 8,718 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8,718) = 0,2868

Результат

ωd = 8,718·√(1 − 0,2868²) = 8,352 rad/s → tp = π/ωd = 0,3762 s

Ответ

tp = 0,3762 s
6.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,6901

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Коэффициент демпфирования

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 2,996/√(9,87 + 8,974) = 0,6901

Ответ

ζ = 0,6901
7.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |H| = −0,9761 dB

Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.

Частота среза

ωc = 1/(RC) = 1/(47000·1 × 10⁻⁷) = 212,8 rad/s
fc = 33,86 Hz → f/fc = 17/33,86 = 0,502

Коэффициент усиления

|H| = 1/√(1 + 0,502²) = 0,8937
20·log₁₀(0,8937) = −0,9761 dB

Ответ

|H| = −0,9761 dB
8.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 61,27 °

Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.

Частота среза усиления

ω⁴ + 64ω² − 1600 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·1600))/2 = 19,22
ωc = 4,385 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(4,385/8) = −118,7°
PM = 180° + ∠L = 61,27°

Ответ

PM = 61,27°

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems